SEP6200平台上Linux内核的USB OTG驱动设计

杨廉萍，缪卫

（东南大学 电子科学与工程学院，南京 210018）

引 言

传统的USB协议（USB 2.0）规定了两个设备之间进行数据通信时，必须有一个Host设备作为固定的主机，通过这个主机来控制设备间的数据传输。在日常应用中，基本都是将USB设备连接到PC，并在PC的控制下进行数据交换。这种交换方式，一旦离开了PC，各设备间就无法利用USB口进行直接操作。随着嵌入式设备的快速发展，两个USB设备之间直接进行数据交换的需求变得越来越迫切。USB On－The－Go（USB OTG）技术便应运而生。OTG技术实现了在没有Host的情况下，设备之间点对点的数据控制与传输。本文通过研究USB 2.0协议和USB OTG补充规范，结合具体应用需求，建立了基于国产SoC的嵌入式USB OTG模块硬件平台，并在Linux操作系统平台上设计并实现了基于国产内核主控芯片SEP6200的USB OTG设备驱动。

1 USB OTG协议与实现方式概述[1]

USB OTG标准在完全兼容USB2.0标准的基础上，增添了电源管理（节省功耗）功能，并可提供一定的主机检测能力，支持对话请求协议（SRP）和主机交换协议（HNP）。在OTG中，初始主机设备称为A－device，外设称为B－device。

对话请求协议（Session Request Protocol，SRP）：为了节省功耗，A－device在总线不被使用时允许VBUS总线关断，此时B设备就会检测到该状态并进入功低耗模式。当外部B－device需要向A－device发起对话时，它会通过SRP向A－device发出申请，请求A－device向VBUS供电并启动一次对话。对话将随VBUS的开启而开始，随VBUS的关闭而结束。

主机交换协议（Host Negotiation Protocol，HNP）：该协议允许两个直接相连的OTG设备进行主机Host功能的切换，它能够根据电缆的连接方式来决定初始化角色，从而允许设备在通信时能够改变控制信号。当用户模式或应用程序下B－device有输入时，HNP将作初始响应。

OTG两用设备使用新型mini－AB插座，从而使mini－A插头、mini－B插头和mini－AB插座增添了第5个引脚（ID），以用于识别不同的电缆端点。mini－A插头中的ID引脚接地，mini－B插头中的ID引脚浮空。当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是A－device（主机）；而检测到ID引脚浮着的设备，则认为是B－device（外设）。系统一旦连接后，OTG的角色还可以更换。A－Device作为默认主机并提供VBUS电源，并在检测到有设备连接时复位总线、枚举并配置B－device。

2 USB OTG模块硬件方案

为了后期USB OTG驱动设计需要，首先对OTG硬件模块作一些简单的介绍。本文设计的USB OTG模块在硬件上由主控芯片SEP6200以及USB控制芯片USB3343构成。SEP6200是东南大学国家ASIC工程中心自主研发的一款定位于手持视频播放设备、卫星导航产品的高性能应用处理器，它内部集成了ULPI总线接口，支持SRP和HNP协议，拥有USB2.0OTG功能[2]。USB控制芯片USB3343是SMSC公司生产的一款高速USB收发器，支持主机、设备和OTG三种功能，非常适合用于要求低功耗工作和待机工作的便携式设备[3]。SEP6200内部的OTG Controller和USB3343之间通过otg＿transceiver接口来完成交互。

在本模块中，SEP6200处理器通过自带的ULPI接口与USB3343进行连接和通信，而USB3343收发控制器则是通过外接USB MiniAB插座与外部USB设备进行连接。其硬件连接结构图如图1所示。

图1 USB OTG硬件连接结构图

此硬件平台以SEP6200处理器为核心，处理器除了ULPI接口的12根总线与USB3343相连接外，另外分别通过两根GPIO接口线来控制实现OTG的低功耗功能。其中一根（GPIO＿RESETB）用来对USB3343进行软件复位，另一根（GPIO＿EN）用来控制对VBUS总线供电。当核心板作为device与PC进行连接时，软件检测到ID信号状态为浮空后将GPIO＿EN引脚置0，切断电源模块，使5V供电电压与VBUS总线隔绝。相反，当核心板作为Host与U盘等外设进行通信时，软件检测到ID信号状态为接地，然后将GPIO＿EN引脚置位，通过电源使能模块将5V电压加载到VBUS总线上，实现核心板作为主机对外设进行供电，从而实现对外部设备的检测和枚举等后续操作。

3 USB OTG驱动架构的设计与实现

3.1 OTG设备驱动程序架构

本设计的软件驱动开发基于Linux操作系统平台。作为开源操作系统，Linux有良好的兼容性和强大的USB技术支持。OTG设备驱动程序主要由USB目标设备软件包和USB主设备软件包构成。OTG驱动通过连接器中“ID”信号的不同连接，根据SRP和HNP协议的内部机制，确定使用USB主设备软件包还是USB目标设备软件包。图2是OTG设备驱动程序架构框图。

图2 OTG设备驱动程序架构框图

当OTG设备以从机方式工作时，USB目标设备功能模块工作。目标设备控制驱动完成USB目标设备软件包与OTG硬件间的数据交换。USB协议层完成USB协议规范，USB目标设备类驱动的功能取决于OTG设备的功能。

当OTG设备以主机方式工作时，USB主设备功能模块工作。主控制驱动完成USB主设备软件包与OTG硬件间的数据交换，USB总线驱动保存设备的信息。OTG提供通用的主设备类驱动程序，驱动支持的这些目标主设备包含在目标设备的列表里[4]。

基于以上分析，驱动软件设计的总体任务主要分为：USB从机设备驱动设计、USB主机控制器驱动设计以及USB OTG驱动设计。其中从机设备驱动模块和主机控制器驱动模块互相独立，OTG驱动依赖于从机设备驱动和主机控制器驱动。

3.2 USB从机设备驱动设计

基于SEP6200的核心板系统在作为USB从机设备时，要应答PC主机的标准请求，处理USB总线事务和用户功能。因此从机驱动包括3层：UDC驱动程序、Gadget驱动程序和Gadget API。UDC驱动程序负责直接访问硬件，控制USB设备与主机间的底层通信，向上层提供与硬件相关操作的回调函数。Gadget驱动程序具体控制USB设备功能的实现。Gadget API则是提供给UDC驱动程序回调函数的简单封装[5]。

Linux内核首先通过 musb＿init＿controller（）函数初始化USB设备控制器，OTG驱动提供的状态机根据硬件信息将USB OTG工作模式配置成从机模式。接着内核会初始化Gadget驱动，完成Gadget驱动和UDC驱动的绑定，并配置控制器使其开始工作。然后调用底层Gadget API函数来激活端点进行数据传输。USB OTG定义了三个端点：程序中定义端点0在控制传输中应答设备枚举，端点1的功能为向PC机发送数据，端点2的功能为接收PC机发送的数据。最后，通过中断响应和中断处理函数来完成核心板作为设备与PC机的通信操作。内核使用struct musb结构体描述UCD驱动实例的各种信息。

3.3 USB主机控制器驱动设计[4，6]

核心板系统的主机驱动分为几个部分：Host controller drive、USB core和Class driver。在本设计中，Host controller drive与所应用的USB主控芯片USB3343相关，而USB Core和Class driver在Linux内核中提供了相应的支持。

Linux内核使用usb＿hcd结构描述USB主机控制器驱动Host controller drive。usb＿hcd结构描述了USB主机控制器的硬件信息、状态和操作函数，其定义如下：

软件根据HNP协议执行完所有的HNP状态后，OTG驱动进入USB Host模式。在对底层硬件初始化后，注册Hub和USB存储类设备，随后加载hub＿probe对根Hub进行初始化和枚举。当外部USB设备插入后，系统将对USB类设备进行枚举，查找对应的USB存储类设备驱动，并加载storage＿probe，然后读取插入的USB存储类设备的文件系统结构，将该存储设备注册为一个scsi disk。使用mount命令将该设备挂载到相应目录后，即可完成对USB存储设备的读写操作。

3.4 USB OTG驱动设计

OTG驱动维护着一个OTG状态机，从而支持HNP和SRP协议，转换主机端和设备端功能，上文中硬件状态的检测和驱动模式转化即由此实现。在模块初始化的时候，首先对OTG驱动进行注册，OTG驱动将自身注册为一个char设备。当找到设备时，在注册函数中执行设备控制器驱动对应的probe函数，初始化OTG模块，随后调用中断申请函数申请中断，并设置相应的中断处理函数。在本设计中，当有OTG中断产生时，首先执行硬件访问层的中断处理函数phy3343＿hal＿isr（），在这个函数中读取中断来源，若判断是OTG中断，则调用OTG驱动的中断处理例程usb＿otg＿isr（），启动 OTG状态机。

OTG驱动还需要向文件系统提供相应的file operations接口，供上层的application调用，这些接口函数包括：usb＿otgdev＿open、usb＿otgdev＿close、usb＿otgdev＿ioctl、usb＿otgdev＿fasync等。usb＿otgdev＿open函数负责 OTG application在打开OTG设备文件时，通过Linux文件系统接口调用该函数，进行OTG驱动自身参数的初始化；usb＿otgdev＿close函数负责OTG application在关闭OTG设备文件时，通过Linux文件系统接口调用该函数，进行OTG驱动自身参数重启；usb＿otgdev＿ioctl函数是在OTG application调用OTG设备文件的ioctl函数时，Linux文件系统接口调用该函数；usb＿otgdev＿fasync函数则是当OTG的application设置或者重设异步通知时，对该函数进行调用，当异步通知模式设置成功返回值为0，失败时返回负值[4]。

Linux内核中通过定义struct otg＿transceiver结构体，提供给开发者一个与USB硬件进行直接交互的接口。在本设计中，即通过该结构体实现了软件与USB主控芯片USB3343的交互通信功能。

结 语

USB OTG技术满足了两个设备之间直接进行数据通信的要求。在对现有的OTG协议和相关应用进行深入研究的基础上，本文在国产SoC芯片SEP6200平台上设计并实现了基于Linux内核的USB OTG模块驱动。整个SEP6200核心板系统能够支持USB主机模式、USB设备模式，并且能够实现两个模式间的切换。

[1] Hewlett－Packard Company.On－The－Go and Embedded Host Supplement to the USB Revision 2.0Specification，2012.

[2] 东南大学ASIC中心.SEP6200设计文档，2010.

[3] SMSC.USB334xDatasheet.Revision 1.1，2011.

[4] 王栋柯.基于嵌入式Linux平台的USB OTG功能的研究和实现[D].南京：东南大学，2007.

[5] 陈效友.基于Linux的USB OTG IP核设备驱动开发技术[D].成都：电子科技大学，2010.

[6] 弓雷.ARM嵌入式Linux系统开发详解[M].北京：清华大学出版，2010.